静止气象卫星图像导航与配准的成像试验系统及试验方法

摘要

本发明公开了一种静止气象卫星图像导航与配准的成像试验系统及试验方法，静止气象卫星图像导航与配准的成像试验系统包括卫星支架、卫星本体、载荷仪器、载荷仪器遮光罩、载荷仪器特征点测量靶球、平行光管、激光跟踪仪测量视轴等，卫星本体位于卫星支架上方，卫星本体、载荷仪器遮光罩都与载荷仪器相连等。本发明能够在卫星研制阶段对图像导航配准的方案进行定量验证。

说明书

技术领域

本发明涉及一种静止气象卫星，特别是涉及一种静止气象卫星图像导航与配准的成像试验系统及试验方法。

背景技术

数值天气预报中，需要定位区域性复杂天气，跟踪恶劣天气发展趋势并生成云图动画，这需要图像对应的绝对地理位置定位准确，相邻图像的相对位置关系配准精确。图像导航配准精度关系到天气诊断、云图分析、灾害监测应用的目标识别，以及风矢量等定量遥感产品的处理精度。由于气象静止卫星遥感仪器的探测器面阵尺寸很小，无法通过单帧完成区域成像，需要通过遥感仪器内部的扫描镜进行扫描运动，遥感仪器进行扫描成像，当遥感仪器完成区域扫描后，通过多帧遥感图像的拼接，形成完整的遥感图像。遥感仪器的扫描镜伺服误差与扫描镜所处的角度有一定相关性，但由于相邻行扫描方向不同，误差表现形式也有差别，导致单帧图像内连续目标产生了错位，引起了帧内配准偏差，影响遥感图像配准精度。因此，需要分析扫描镜伺服误差对卫星图像帧内配准精度的影响如图3所示。

经过文献检索，期刊“航天器工程”、2013年01期第93-100页、名字“INR系统用于静止轨道高姿态精度卫星的分析”、作者“孙晓峰、裴胜伟、李新刚”的文献介绍了图像导航与配准的概念和主要处理过程，对图像导航与配准系统的扰动源进行了简要描述。该文章未介绍图像帧内配准的评估方法。

期刊“中国博士学位论文全文数据库”、2015年、名字“地球同步轨道有效载荷视轴补偿技术研究”、作者“潘文贵”文献给出了帧内配准(Within-Frame Registration)的定义，指出“帧内配准”是确定同一帧图像中任意两个像元实际相对位置与理想相对位置之间的偏差满足规定的指标要求。

外文文献“GOES Users’Conference”介绍了美国GOES(地球静止轨道环境业务卫星)卫星在轨帧内配准评估方法和技术水平，但并未涉及图像帧内配准的地面试验方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种静止气象卫星图像导航与配准的成像试验系统及试验方法，其能够在卫星研制阶段对图像帧内配准的方案进行定量验证。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种静止气象卫星图像导航与配准的成像试验系统，其包括卫星支架、卫星本体、载荷仪器、载荷仪器遮光罩、载荷仪器特征点测量靶球、平行光管、激光跟踪仪测量视轴、平行光管特征点测量靶球、激光跟踪仪、四维调节机构、成像靶标、积分球，卫星本体位于卫星支架上方，卫星本体、载荷仪器遮光罩都与载荷仪器相连，载荷仪器遮光罩上设有多个载荷仪器特征点测量靶球，卫星支架位于四维调节机构左侧，平行光管、成像靶标、积分球都与四维调节机构顶端相连，成像靶标位于平行光管和积分球之间，平行光管设有多个平行光管特征点测量靶球，激光跟踪仪位于四维调节机构右侧，激光跟踪仪通过激光跟踪仪测量视轴分别与载荷仪器特征点测量靶球、平行光管特征点测量靶球相连。

本发明还提供一种静止气象卫星图像导航与配准的成像试验方法包括以下步骤：

步骤一，需要进行成像系统光轴对准，并开展图像帧内配准的成像试验；

步骤二，姿态运动补偿的成像试验；

步骤三，恒星敏感的成像试验。

优选地，所述步骤一包括以下步骤：

步骤十一、建立整星成像试验状态，用于通过卫星支架调整使遥感仪器视线至水平，遥感仪器具备光学成像条件；

步骤十二、构建地面光学成像试验系统，用平行光管、成像靶标和积分球模拟卫星对地成像目标，其中平行光管用于模拟平行光，积分球为光源用于调节目标光强，成像靶标作为已知成像目标用于定量评估帧内配准精度，通过调整平行光管角度和位置将遥感仪器视轴与平行光管光轴对准；

步骤十三、遥感仪器进行小区域成像评估图像配准精度，南北镜在赤道附近进行运动，东西向扫描镜在-4.35°～4.35°范围内往复运动成像，以图像中的相连两个扫描行间条纹错位的像元个数作核图像帧内配准精度；

步骤十四、多个视场的帧内配准评估，用于分析扫描镜处于不同角度下的遥感图像，以图像中相邻两行条纹错开的像元数作为评价指标，考核扫描镜在不同角度时图像导航与配准的帧内配准精度。

优选地，所述步骤十二中光轴对准是基于激光跟踪仪的光学成像系统光轴对准方法，其具体实施步骤包括以下步骤：

步骤二十、建立整星成像试验状态，并将卫星支架倾斜，使星上的载荷仪器的视线水平，以便于和平行光管的光轴对准，进行光学成像；

步骤二十一、采用平行光管、积分球和成像靶标构建地面光学成像试验系统，其中平行光管用于模拟来自无穷远处的恒星光，积分球模拟光源用于调节靶标的亮度，成像靶标便于定量评估帧内配准精度；

步骤二十二、遥感仪器东西向扫描镜在-4°～4°范围内进行运动，每进行一次，调整平行光管的光轴指向，确认成像靶标在遥感仪器视场中，扫描镜以当前位置为起点进行区域扫描运动，遥感仪器对成像靶标进行扫描成像；

步骤二十三、分析扫描镜处于不同角度下的遥感图像，以图像中相邻两行条纹错开的像元数作为评价指标，考核扫描镜在不同角度时图像导航与配准的帧内配准精度。

优选地，所述步骤二包括以下步骤：步骤三十一，获得卫星零姿态下的基准图像；步骤三十二：获得卫星存在姿态运动时的图像；步骤三十三：获得卫星存在姿态运动时对姿态运动进行补偿后的图像；步骤三十四：对比评估姿态运动补偿效果。

优选地，所述步骤三十一包括以下步骤：调整平行光管光轴对准卫星仪器视场中心，卫星在不开启姿态补偿的情况下对靶标成像，获得的图像作为基准图像。

优选地，所述步骤三十二包括以下步骤：靶标沿卫星本体系x轴或y轴方向平移一段距离，模拟卫星在轨姿态偏移造成的目标在视场中的移动效果；卫星在不开启姿态补偿的情况下对靶标成像，获得姿态运动时的图像。

优选地，所述步骤三十三包括以下步骤：在卫星内部姿轨控计算机软件中设置与靶标偏移量相对应的姿态偏置参数，卫星在开启姿态运动补偿的情况下对靶标成像，获得补偿后图像。

优选地，所述步骤三十四包括以下步骤：将基准图像的灰度矩阵分别与姿态运动时的图像、补偿后图像的灰度矩阵相减，从而观测图像的重合程度，两图像不重合的像元个数。

优选地，所述步骤三包括以下步骤：步骤四十一：建立由两个狭缝板十字交叉叠加组成的静态星点靶标成像系统，调整靶标狭缝宽度生成较大星点，调整二维直线运动台位置，使星点位于平行光管中央附近；卫星对静态星点靶标可能出现区域进行较大范围的区域扫描成像，观察遥感图像中的亮点位置，通过重心提取法计算静态星点方位；步骤四十二：以静态星点方位计算卫星遥感仪器指向该位置的二维扫描镜角度，驱动遥感仪扫描镜指向该角度，静态星点靶标应该出现在遥感仪器瞬时视场内；步骤四十三：调整靶标狭缝尺寸，使星点靶标大小接近实际恒星星点张角；利用平行光管焦距及地球自转角速度计算静态星点靶标在二维直线运动平台上的线位移速度，并以该运动规律驱动直线运动台，使星点沿东西方向匀速划过探测器像元；在东西方向每往复划过一次，南北方向利用二维直线运动平台步进1/3像元的距离；步骤四十四：恒星敏感成像试验结果评估。

本发明的积极进步效果在于：本发明能够直接考核了扫描镜伺服误差对图像导航与配准帧内配准精度的影响；且基于整星开展成像试验，试验状态和载荷仪器工作模式均与卫星在轨保持一致，试验结果真实可信。

附图说明

图1为本发明的系统示意图。

图2为本发明的静止气象卫星在轨成像示意图。

图3为遥感仪器东西镜伺服误差示意图。

图4为本发明的条纹图像错位示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1所示，本发明静止气象卫星图像导航与配准的成像试验系统包括卫星支架1、卫星本体2、载荷仪器3、载荷仪器遮光罩4、载荷仪器特征点测量靶球5、平行光管6、激光跟踪仪测量视轴7、平行光管特征点测量靶球8、激光跟踪仪9、四维调节机构10、成像靶标11、积分球12，卫星本体2位于卫星支架1上方，卫星本体2、载荷仪器遮光罩4都与载荷仪器3相连，载荷仪器遮光罩4上设有多个载荷仪器特征点测量靶球5，卫星支架1位于四维调节机构10左侧，平行光管6、成像靶标11、积分球12都与四维调节机构10顶端相连，成像靶标11位于平行光管6和积分球12之间，平行光管6设有多个平行光管特征点测量靶球8，激光跟踪仪9位于四维调节机构10右侧，激光跟踪仪9通过激光跟踪仪测量视轴7分别与载荷仪器特征点测量靶球5、平行光管特征点测量靶球8相连。

本发明静止气象卫星图像导航与配准的成像试验方法包括以下步骤：

步骤一，需要进行成像系统光轴对准，并开展图像帧内配准的成像试验；

步骤二，姿态运动补偿的成像试验；

步骤三，恒星敏感的成像试验。

所述步骤一包括以下步骤：

步骤十一、建立整星成像试验状态，用于通过卫星支架调整使遥感仪器视线至水平，遥感仪器具备光学成像条件；

步骤十二、构建地面光学成像试验系统，用平行光管、成像靶标和积分球模拟卫星对地成像目标，其中平行光管用于模拟平行光，积分球为光源用于调节目标光强，成像靶标作为已知成像目标用于定量评估帧内配准精度，通过调整平行光管角度和位置将遥感仪器视轴与平行光管光轴对准；

步骤十三、遥感仪器进行小区域成像评估图像配准精度，南北镜在赤道附近进行运动，东西向扫描镜在-4.35°～4.35°范围内往复运动成像，如图4所示，以图像中的相连两个扫描行间条纹错位的像元个数作核图像帧内配准精度；

步骤十四、多个视场的帧内配准评估，用于分析扫描镜处于不同角度下的遥感图像，以图像中相邻两行条纹错开的像元数作为评价指标，考核扫描镜在不同角度时图像导航与配准的帧内配准精度。

所述步骤十二中光轴对准是基于激光跟踪仪的光学成像系统光轴对准方法，其具体实施步骤包括以下步骤：

步骤二十、建立整星成像试验状态，并将卫星支架倾斜，使星上的载荷仪器的视线水平，以便于和平行光管的光轴对准，进行光学成像；

步骤二十一、采用平行光管、积分球和成像靶标构建地面光学成像试验系统，其中平行光管用于模拟来自无穷远处的恒星光，积分球模拟光源用于调节靶标的亮度，成像靶标便于定量评估帧内配准精度；

步骤二十二、遥感仪器东西向扫描镜在-4°～4°范围内进行运动，每进行一次，调整平行光管的光轴指向，确认成像靶标在遥感仪器视场中，扫描镜以当前位置为起点进行区域扫描运动，遥感仪器对成像靶标进行扫描成像；

步骤二十三、分析扫描镜处于不同角度下的遥感图像，以图像中相邻两行条纹错开的像元数作为评价指标，考核扫描镜在不同角度时图像导航与配准的帧内配准精度。

所述步骤二包括以下步骤：步骤三十一，获得卫星零姿态下的基准图像；步骤三十二：获得卫星存在姿态运动时的图像；步骤三十三：获得卫星存在姿态运动时对姿态运动进行补偿后的图像；步骤三十四：对比评估姿态运动补偿效果。

所述步骤三十一包括以下步骤：调整平行光管光轴对准卫星仪器视场中心，卫星在不开启姿态补偿的情况下对靶标成像，获得的图像作为基准图像。

所述步骤三十二包括以下步骤：靶标沿卫星本体系x轴或y轴方向平移一段距离，模拟卫星在轨姿态偏移造成的目标在视场中的移动效果；卫星在不开启姿态补偿的情况下对靶标成像，获得姿态运动时的图像。

所述步骤三十三包括以下步骤：在卫星内部姿轨控计算机软件中设置与靶标偏移量相对应的姿态偏置参数，卫星在开启姿态运动补偿的情况下对靶标成像，获得补偿后图像。

所述步骤三十四包括以下步骤：将基准图像的灰度矩阵分别与姿态运动时的图像、补偿后图像的灰度矩阵相减，从而观测图像的重合程度，两图像不重合的像元个数。

所述步骤三包括以下步骤：步骤四十一：建立由两个狭缝板十字交叉叠加组成的静态星点靶标成像系统，调整靶标狭缝宽度生成较大星点，调整二维直线运动台位置，使星点位于平行光管中央附近；卫星对静态星点靶标可能出现区域进行较大范围的区域扫描成像，观察遥感图像中的亮点位置，通过重心提取法计算静态星点方位；步骤四十二：以静态星点方位计算卫星遥感仪器指向该位置的二维扫描镜角度，驱动遥感仪扫描镜指向该角度，静态星点靶标应该出现在遥感仪器瞬时视场内；步骤四十三：调整靶标狭缝尺寸，使星点靶标大小接近实际恒星星点张角；利用平行光管焦距及地球自转角速度计算静态星点靶标在二维直线运动平台上的线位移速度，并以该运动规律驱动直线运动台，使星点沿东西方向匀速划过探测器像元；在东西方向每往复划过一次，南北方向利用二维直线运动平台步进1/3像元的距离；步骤四十四：恒星敏感成像试验结果评估。

如图2所示，本发明的静止气象卫星在轨成像采用地球圆盘20、扫描成像区域21、仪器视线22、静止气象卫星23、地球静止轨道24，扫描成像区域21、仪器视线22、静止气象卫星23都与地球圆盘20相连，扫描成像区域21在地球圆盘20进行东西扫描，扫描成像区域21位于地球圆盘20上，静止气象卫星23通过仪器视线22对扫描成像区域21进行东西扫描，静止气象卫星23位于地球圆盘20底端，地球静止轨道24延地球静止轨道24运动。

以上所述的具体实施例，对本发明的解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。